【硬件基础知识】指令集框架（ISA：Instruction Set Architecture）

阅读原文时间：2023年07月08日阅读：2

定义

指令集架构（英语：Instruction Set Architecture，缩写为ISA），又称指令集或指令集体系，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含了基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中断，异常处理以及外部I/O。指令集架构包含一系列的opcode即操作码（机器语言），以及由特定处理器执行的基本命令。-------- 中文维基百科

个人解说：这个类似与一个标准，和ECMA-335 协议类似.根据这个协议做出.net framework\mono。根据isa这个规范制作成两个子集 cisc和risc。而后的x86等是这两个子集的具体实现。

想学习指令，肯定要先学会基础的指令格式，知道一条指令包括了什么部分
知道什么是指令之后，我们就要学习指令的执行流程，它是怎么寻址的？这里包括指令如何找到下一步操作寻址（指令寻址），以及指令如何找到操作对象寻址（地址寻址）两个部分。
学会上面两个部分，我们就可以学习如何设计一条指令，这里包括CISC和RISC两种方式

从最基本的结构上来说：一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段

两部分:

操作码字段告诉用户做什么操作？
地址码
告诉用户对谁操作？

这是基本的指令结构，而一条指令更具体的样子应该是这样的：

这里地址码分为了4部分：其中，A1和A2地址代表的是要操作的对象在哪；A3代表运算存放的结果在哪；A4表示这条指令执行要执行的下一条指令在哪？

用符号可以记录为: (A1)OP(A2)→A3,A4=下一条将要执行指令的地址

举个具体的例子来体会一下指令的存放：

现在我们给出一段指令

这是一条指令

这条指令字长32位：其中操作码(OP) ：8位，地址码(A):共4个，每个6位

那么指令访问我们的内存其实就是这样子的：

首先000000这个位置上存放着操作指令（000420C4H）
000420C4H就是【上方绿色指令】的十六进制
A1，A2上存着两串数（12344321H）和（43211234H）
他们在000000指令的执行下，要进行加法操作，将结果填入到A3中
所以A3中的数据（555555555H）就是A1（12344321H）+A2（43211234H）的和
最后再去A4读取出指令（22343234H），开始下一轮工作

放在一起

我们可以在这个图中看到内存中既有操作码，又有地址码,这样把他们放在一起其实并不好，我们可以优化他们，把操作码放一起，地址码放一块。

分组存放

这样看起来是不是清晰多了呢？而且这样最大的好处是！！！：

将操作码放一块，我们可以让程序执行完一步就自动执行下一句指令，这样我们的指令就不用存放下一条指令的位置了。这样访存的次数少了一次，速度也会快点。

如无例外（指的是跳转指令），执行完就直接下一条继续就好啦，也就是顺序执行。

地址码

通过上面将操作码和地址码分开的操作，通过程序计数器使操作码+1顺序执行，我们的指令少了6位的A4，这6位地址可不能浪费了呀，我们可以将它重新设计，变成这样：

四地址指令变三地址指令

地址码变成了8位了，这样的好处是：原先每一条地址码最多只能寻址到2的6次方也就是64个地址，而现在地址搜寻的范围变成了2的8次方也就是256个地址，这样寻址的范围就大大增加了呀！

按着这个思想，我们又对某些指令进行了优化，比如：

对一些两个数进行操作完后结果覆盖到原来的地址上的数，(比如将A1和A2相加，结果返回到A1)我们可以舍去结果位：

二地址指令

这样寻址范围又广了不少：2的12次方=4K

再极端点，对一些进行自身操作的数(比如自增

、自减、取反)我们可以舍去另个操作数和结果位：

一地址指令

最后一种，就是连操作码都全部省去了：

零地址指令

这就是地址码的设计方案总结一下：

我们可以理解，不同的操作，所需要的地址码块数是不同的，所以我们应该灵活安排
即使我们减少了地址码的分块，但是整体指令的长度一直是32位
这种方式叫定长指令结构。与之相反的就是指令长度不固定的变长指令结构。

操作码

刚才我们分析了地址码的设计方式，现在学一下操作码的设计：

在上面的例子中，我们的操作码都是8位，是定长操作码，能发出2的8次方 64条操作。

同样操作码也能设计为不定长的方式，这种操作码叫做拓展操作码：

怎么拓展呢？我们以一个字长为16位的指令为例：

如果我们将前面的4位全部用作操作码，则一共能发出0000~1111 16种操作，现在我们稍微设计一下——舍弃一条操作（1111），只发出0000~1110 15种操作

将1111留着作为标记，如果是1111开头的，则代表A1也作操作码

这样就完成了拓展了。

以此类推：

将1111 1111留着作为标记，如果是1111 1111开头的，则代表A2也作操作码

全为操作码，没有地址码--->零地址指令

总结：

通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码
对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
各指令的操作码一定不能重复
拓展操作码不一定只能有一条也就是说不一定只有1111作拓展操作码，对应15条地址，也可以1110、1111都做拓展码，留14条地址指令也行；甚至不要14条地址指令，只要13条、12条也可以，要根据题目本身设计。但是无论如何设计，它都符合一个规律：

操作码有定长操作码也有拓展操作码，他们各有优缺点：

因此，定长操作码一般用在指令长度比较长的机器上，就不用那么拘束调来调去啦直接固定长度简单除暴，拓展操作码对应指令长度有限的机器，需要灵活安排操作码和地址码的长短关系。

最后我们再来了解一下操作码究竟能交代哪些操作？

总的来说分4大类：

1.数据传送类：进行CPU和主存之间的数据传送 LOAD作用:把存储器中的数据放到寄存器中
STORE 作用:把寄存器中的数据放到存储器中
运算类算术:加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算

、十进制运算
逻辑:与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反移位操作：算术移位

、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
程序控制类:改变程序执行的顺序转移操作：无条件转移 JMP 条件转移 JZ:结果为0; JO:结果溢出;JC:结果有进位调用和返回CALL和RETURN 陷阱(Trap)与陷阱指令
输入输出类（I/0）:进行CPU和I/0设备之间的数据传送输入输出操作：CPU寄存器

与IO端口之间的数据传送(端口即Io接口中的寄存器)

指令框架的分类：

复杂指令集框架（CISC：Complex instruction set computing）

复杂指令集侧重于硬件执行指令的功能性，其对应的硬件结构很复杂。
复杂指令集的特点是指令长度不固定，执行需要多个周期；其有很多用于特定目的的专用寄存器；处理器能够直接处理寄存器中的数据。
复杂指令集主要应用于电脑的处理器，我们的个人电脑处理器用的是X86：

精简指令集框架（RISC：Reduced instruction set computing）

精简指令集计算 这种设计思路可以想像成是一家模块化的组装工厂，对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。目前常见的精简指令集微处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power ISA（包括PowerPC、PowerXCell）、RISC-V和SPARC等。

定义

指令集，顾名思义就是一系列指令的集合通常也可以称作框架，是ISA的子集。其定义其实比较松散，因为集合可大可小。
指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。

详细学习地址：https://slidesplayer.com/slide/16239003/

作用：

指令集也作为一种标准规范，用于规范芯片设计工程师及编译器开发工程师：

常用的指令集:

X86

X86属于CISC：Complex instruction set computing 复杂指令集框架的子集。x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构。最早的8086处理器于1978年由Intel推出，为16位微处理器。目前x86的主要产品有Intel的至强，酷睿，奔腾，赛扬和凌动；amd的锐龙，apu等。上文提到的x64架构目前只有intel 安腾而且已经放弃了产品线。
早期的x86是cisc的代表，后来的发展中逐步引入了risc的部分理念，将内部指令的实现大量模块化，准确来说是一个cisc外加risc部分技术的架构。

该系列较早期的处理器名称是以数字来表示80x86。由于以“86”作为结尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架构被称为“x86”。因为接近80年代所以前两位为80，x86的X是之前表示成品代数，386、486等，现在这一构架被统称为x86。

intel第一代4位：4004

intel第二代8位:8080

intel第三代16位:8086，包括80186、80286、80386

intel第四代32位:80486

intel第五代就是奔腾系列了，也称为80586

看见了吗？从8086开始都有个后缀86，后面产生的86处理器都是兼容以前的86处理器，因为使用的同一个架构，就把这种架构称为x86架构

arm

arm是risc的典型代表，不过在arm的发展过程中引入了部分复杂指令（完全没有复杂指令的话操作系统跑起来异常艰难），所以是一个risc基础外加cisc技术的cpu。

mips

另一个risc的典型处理器就是mips。mips是一个学院派的cpu，授权门槛极低，因此很多厂家都做mips或者mips衍生架构。令系统经过通用处理器指令体系MIPS
I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS
V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。在嵌入式方面，MIPS
K系列微处理器是仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），我们平时接触到的mips架构cpu主要用在嵌入式领域，其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。
目前最活跃的mips是中国的龙芯，其loongisa架构其实是mips的扩展。在设计理念上MIPS指令集强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。其指